縫隙引流葉輪離心泵的壓力脈動及振動特性

張文著,魏 群,陳紅勛,馬 崢,王岱峰

日益嚴苛的環保標準和客戶需求對離心泵的性能提出了更高的要求,使得離心泵運行過程中的壓力脈動及振動問題受到更多關注.如何降低運行過程中的壓力脈動和振動已成為離心泵設計時必須考慮的問題.

陳紅勛等[1]基于流動控制的思想提出了縫隙引流葉片結構,并將其應用于離心泵葉輪的設計中.已有研究表明,與傳統葉輪離心泵相比,縫隙引流葉輪離心泵的水力性能在一定的工況范圍內明顯提高[2-3].朱兵[4]已對縫隙引流葉輪提高低比轉速離心泵水力性能的機理進行了分析,并對縫隙引流葉輪內的壓力脈動進行了數值研究.為了更充分地認識縫隙引流葉輪對離心泵運行時的壓力脈動和振動特性的影響,有必要開展相關的實驗研究.

在壓力脈動方面,Parrondo等[5]的研究表明,壓力脈動的大小主要取決于隔舌與葉輪的動靜干涉強度.Guo等[6]通過研究發現,離心泵蝸室內流動方向上的壓力脈動逐漸減小而靜壓逐漸增大,且變化的流體力未必會導致較強的壓力脈動.蔡建程等[7]通過研究發現,離心泵隔舌區域的壓力脈動最嚴重,其整體強度隨轉速以近似二次函數的形式變化.Wang等[8-9]研究了導葉內的壓力脈動,發現當流量低于50%額定流量后,導葉中會出現旋轉失速團,離心泵中的壓力脈動會大幅增強,非設計工況點時的壓力脈動主頻為2倍葉頻(blade passing frequency,BPF).劉陽等[10]根據成因將壓力脈動分類為葉頻脈動、軸頻脈動和隨機脈動,并從動靜干涉、二次流以及汽蝕的角度總結了壓力脈動的研究進展.

在振動方面,Trethewey等[11]研究了反應堆冷卻泵旋轉軸的振動特性,建立了旋轉軸振動特性與其疲勞壽命的關系.Mele等[12]的研究發現,離心泵的流動誘導振動與轉速成正比,且與運行效率密切相關.劉厚林等[13]研究了葉輪出口寬度對離心泵流體誘導振動噪聲的影響,發現隨著葉輪出口寬度的增加,離心泵流體誘導振動強度大致呈先增大后減小的趨勢.胡芳芳等[14]對離心泵在各個工況下的壓力脈動、振動和噪聲進行了測試分析,發現葉頻及其倍頻是壓力脈動和振動的主要特征頻率.金渝博等[15]分析了離心泵振動激勵力的來源,并總結了應用流固耦合方法研究離心泵振動的研究進展.

本工作在朱兵[4]的研究基礎上,參考相關實驗方法,搭建了信號采集系統,測量了離心泵不同位置的壓力脈動和振動信息,研究了縫隙引流葉輪對離心泵壓力脈動和振動特性的影響,以期為改善離心泵的壓力脈動和振動特性提供可行的思路和方案.

1 實驗模型及裝置

1.1 葉輪模型

常規葉輪的主要設計參數如下:外徑為220.0 mm,進口直徑為62.4 mm,出口邊寬度為6.5 mm;4個2D圓柱葉片,葉片進口角和出口角(以吸力面弧線計算)分別為4.5°和32.3°.定義常規葉輪離心泵的最高效率點流量為特征流量,相應的工況為特征工況,即流量Q=9.42 m3/h,揚程H=7 m,轉速n=1 000 r/min,相應的軸頻為16.67 Hz,葉頻為66.67 Hz.

與常規葉輪相比,縫隙引流葉輪的主要結構差異是在各主葉片前緣吸力面側重新設計了一個小的葉片,使得主葉片略有縮短,小葉片與主葉片在空間位置上有一定重疊并形成了一個小的縫隙.本工作中縫隙引流葉輪的外形參數與常規葉輪相同,可適配同一泵體,從而減少了因泵體差異對實驗結果的影響.兩種葉輪模型如圖1所示.

圖1 實驗用葉輪Fig.1 Impellers for the experiment

1.2 測點布置及測試裝置

為便于測點布置和流場觀察,對泵體外形進行重新設計,蝸殼采用2D矩形截面流道,泵體模型如圖2所示.在泵體入口處布置壓力測點1,3,隔舌處布置壓力測點2,4,蝸室壁面上布置壓力測點5～11,出口處布置壓力測點12,13,壓力測點的位置及編號如圖3(a),(b)所示.在蝸室壁面上、隔舌處以及出口處布置了6個振動測點,其中隔舌處布置三維加速度傳感器,其余測點布置一維加速度傳感器,振動測點的位置及編號如圖3(c)所示.

圖2 實驗用泵體Fig.2 Pumps for the experiment

圖3 壓力測點和振動測點分布示意圖Fig.3 Positional distributions of the pressure sensors and vibration sensors

壓力傳感器的量程為3 MPa,加速度傳感器的量程為490 m/s2.壓力傳感器通過信號放大器、加速度傳感器通過信號調理器一并將信號送入東華5922信號采集系統,并存入計算機進行相關信號處理.根據文獻[16-17]的建議,本工作設定實驗采樣時間為60 s,采樣頻率為10 kHz.

2 實驗結果及分析

2.1 性能實驗

圖4為實驗測得的傳統葉輪離心泵和縫隙引流葉輪離心泵的水力性能對比,其中G表示縫隙引流葉輪,O表示常規葉輪,P表示壓力,V表示振動.可見,隨著流量的增加,縫隙引流葉輪的效果逐漸顯現.為全面比較兩種葉輪離心泵在不同流量下的壓力脈動及振動特性,對實驗結果進行時域和頻域分析.

圖4 傳統葉輪離心泵與縫隙引流葉輪離心泵的性能曲線Fig.4 Performance curves for the ordinary centrifugal pump and the gap drainage impeller centrifugal pump

2.2 壓力脈動實驗結果分析

2.2.1 壓力脈動時域統計分析

由于標準差可用于描述隨機信號在其均值附近的分布,反映信號的波動分量,因此,本工作選取標準差作為統計指標,對實驗數據進行處理.由于位于同一區域的測點的壓力脈動變化規律相同,故將測點按區域分為4類,并從每個區域選取一個測點作為代表進行比較,即泵體入口處以測點1為例,蝸室壁面以測點7為例,隔舌處以測點2為例,出口處以測點12為例.各測點的壓力脈動幅值隨流量變化的曲線如圖5所示.可見:常規葉輪離心泵與縫隙引流葉輪離心泵的壓力脈動隨流量變化的規律基本相同;入口處測點的壓力脈動幾乎不隨流量變化,其余測點的壓力脈動則隨著流量變化,呈先減小后增大的趨勢.

圖5 兩種葉輪離心泵各測點處壓力脈動信號標準差隨流量的變化曲線Fig.5 Standard deviations of each pressure fl uctuation sensor under the different fl ow conditions for the two kinds of centrifugal pumps

由圖5可見,隔舌處(測點2,4)的壓力脈動波幅最大,并在特征流量附近達到最小.根據朱兵[4]關于兩種離心泵流場的數值計算結果(見圖6):在設計工況下,速度矢量與隔舌輪廓相切;在非設計工況下,速度矢量與隔舌輪廓有明顯的夾角,引起水流與隔舌的強烈碰撞;特別是在大流量下,流體速度較快,與隔舌的沖擊會導致強烈的動靜干涉作用,使隔舌處的壓力脈動強度明顯增加.相比其他測點,靠近隔舌處的測點(測點2,4,12,13)壓力脈動幅值較高.這說明在大流量下,葉輪和隔舌間強烈的動靜干涉嚴重影響了附近區域內的流動狀態,加劇了該區域的壓力脈動.

圖6 不同流量下隔舌區域數值模擬流線圖[4]Fig.6 Numerical streamlines of the tongue region under the different fl ow conditions[4]

對于蝸室壁面的壓力脈動,已有研究發現,不穩定流動現象(流動分離和回流)是小流量工況下產生較大壓力脈動幅值的原因之一[18].在大流量下,流體速度較大,葉輪與蝸室間的動靜干涉作用明顯增強,進而加劇壓力脈動.葉輪出口距離蝸室壁面(蝸室流道正對葉輪出口的曲面)越近的位置(如測點11),測得的壓力脈動幅值越大,葉輪出口距離蝸室壁面越遠的位置(如測點5),測得的壓力脈動幅值越小.這說明葉輪與蝸室壁面的距離會影響葉輪出口處的流動狀態,較短的距離會加劇葉輪和蝸室的動靜干涉作用.

在小流量下,兩種離心泵各測點處的壓力脈動幅值沒有明顯區別.在大流量下,縫隙引流葉輪離心泵的壓力脈動明顯小于常規葉輪離心泵.分析文獻[4]中關于兩種離心泵的數值模擬結果(見圖7和8)可知:對于縫隙引流葉輪離心泵,小葉片會導引部分流體經縫隙從葉片壓力面側流向吸力面側,減弱出口區域主流提前出現偏離吸力面而轉向壓力面側流動的趨勢,使葉輪出口速度分布更均勻;前緣偏置和重疊設計的小葉片增大了流道進口區面積,改善了流道內的速度場分布狀況,使流道內部速度分布更均勻.另外,在大流量下,縫隙引流葉輪流道內的湍流渦明顯弱于傳統葉輪.已有研究表明,葉輪出口的速度非均勻分布,即“射流-尾跡”結構,是離心泵內最主要的壓力脈動源,會對低比轉速離心泵效率產生很大影響,而二次流對低能流體的輸運是造成葉輪出口出現“射流-尾跡”結構的主要原因[19-23].因此,大流量下縫隙引流葉輪出口更均勻的速度分布,及其內部較弱的二次流輸運,均是縫隙引流葉輪離心泵壓力脈動小于常規葉輪離心泵的根本原因.

圖7 不同流量下兩種葉輪內的速度分布Fig.7 Inner velocity contour of the two kind of impellers under the different fl ow conditions

圖8 離心泵內部湍流渦結構對比Fig.8 Comparisons of the inner turbulence Eddy structure

2.2.2 頻域特征分析

由2.2.1節分析可知,同一區域測點的壓力脈動變化規律相同,故在每一個區域選取一個測點為代表進行描述.選取0.2Q,0.5Q,1.0Q,1.5Q,1.8Q 5個流量工況,對比分析了常規葉輪離心泵和縫隙引流葉輪離心泵在不同位置處壓力脈動的頻譜特征.初步分析發現,在壓力脈動頻譜圖中,幅值較突出的頻率成分主要集中在0～300 Hz,故本工作僅對比分析在此范圍內的壓力脈動頻域特征,并以葉頻為主刻度.

入口處以測點1為例,兩種葉輪離心泵入口處的壓力脈動信號頻譜如圖9所示.對于常規葉輪離心泵,當流量小于0.5Q時,入口處的低頻成分幅值明顯偏大,5倍軸頻和2倍葉頻的幅值較大;當流量大于1.0Q之后,葉頻及2倍葉頻的幅值較大,且軸頻對應的幅值迅速增大,并在1.8Q時軸頻的幅值達到最大.縫隙引流葉輪離心泵入口處的壓力脈動主頻為2倍葉頻,流量變化對主頻幅值的影響較小.相比于常規葉輪離心泵,縫隙引流葉輪離心泵各工況下的主頻幅值都較小.

隔舌處以測點2為例,兩種葉輪離心泵隔舌處的壓力脈動信號頻譜如圖10所示.對于常規葉輪離心泵,隔舌處的壓力脈動主頻為葉頻,其次是2倍葉頻;隨著流量增加,葉頻的幅值先減小后增大,并在0.5Q時達到最小,而2倍葉頻的幅值單調遞增.對于縫隙引流葉輪離心泵,小流量時葉頻的幅值較突出,隨著流量的增加,在大于特征流量后,2倍葉頻的幅值明顯增大.相比之下,常規葉輪離心泵的主頻幅值明顯大于縫隙引流葉輪離心泵.

圖10 不同流量下兩種葉輪離心泵隔舌處測點2的壓力脈動信號結果Fig.10 Results of the pressure fl uctuation signal from sensor 2 in the tongue for the two kinds of centrifugal pumps under the different fl ow conditions

蝸室處以測點7為例,兩種葉輪離心泵蝸室處的壓力脈動信號頻譜如圖11所示.對于常規葉輪離心泵,測點7的壓力脈動主頻為葉頻,2倍葉頻的幅值也較大,且隨著流量增加,葉頻、2倍葉頻及軸頻的幅值同時增大.對于縫隙引流葉輪離心泵,測點7的壓力脈動主頻為2倍葉頻,葉頻的幅值也相對較大,2倍葉頻及葉頻的幅值均有隨流量增加而增大的趨勢,但幅值明顯小于常規葉輪離心泵.

圖11 不同流量下兩種葉輪離心泵蝸室處測點7的壓力脈動信號結果Fig.11 Results of the pressure fl uctuation signal from sensor 7 on the volute wall for the two kinds of centrifugal pumps under the different fl ow conditions

出口處以測點12為例,兩種葉輪離心泵出口處的壓力脈動信號頻譜如圖12所示.對于常規葉輪離心泵,在0.2Q流量下,出口處的壓力脈動主頻為葉頻,當流量大于0.5Q時,主頻為2倍葉頻,其次為葉頻.縫隙引流葉輪離心泵在各流量下的主頻分布規律與常規葉輪離心泵相似,但相比之下,常規葉輪離心泵的主頻及次主頻的幅值都大于縫隙引流葉輪離心泵.

由上述分析可知,在常規葉輪離心泵各處的壓力脈動中,主頻為葉頻,且幅值明顯大于縫隙引流葉輪離心泵.在縫隙引流葉輪離心泵中,除隔舌外,其余各處壓力脈動的2倍葉頻幅值相對較大,但在大流量下仍小于常規葉輪離心泵.由2.2.1節分析可知,縫隙引流葉輪可減弱葉輪出口的“射流-尾跡”結構,即對應頻譜圖中的葉頻幅值要小于常規葉輪離心泵.小葉片的添加可能在流道內產生附加流動,從而造成縫隙引流葉輪頻譜圖中的2倍葉頻成分;而常規葉輪中的2倍葉頻成分則可能是由于流道內的湍流渦結構造成的.

圖12 不同流量下兩種葉輪離心泵出口處測點12的壓力脈動信號結果Fig.12 Results of the pressure fl uctuation signal from sensor 12 in outlet for the two kinds of centrifugal pumps under the different fl ow conditions

2.3 振動實驗結果分析

2.3.1 振動信號時域統計分析

圖13是振動實驗數據的標準差統計結果.通過觀察發現,水平布置的測點(x,4,6,7)曲線變化趨勢相同,垂直布置的測點(y,5)曲線變化趨勢相同,軸向布置的測點(z,8)曲線變化趨勢也相同,故在3個方向各選取一個測點(z,5,6)為代表進行對比.

由圖13可見,隨著流量的增加,各振動測點的振幅也呈先減小后增大的趨勢,并在0.5Q流量附近達到最小值.在所選工況范圍內,出口處測點(7,8)的振動加速度標準差最大,泵體水平方向(x,4,6)的標準差最小.當流量小于0.5Q時,縫隙引流葉輪離心泵各方向的振動稍強于常規葉輪離心泵,當流量大于0.5Q時,縫隙引流葉輪離心泵各方向的振動明顯弱于常規葉輪離心泵.

2.3.2 頻域特征

由于同一方向上不同測點的振動信號波形變化規律相同,故在3個方向各選取一個測點(z,5,6)為代表.這些測點在5個流量工況(0.2Q,0.5Q,1.0Q,1.5Q，1.8Q)下的振動信號頻譜變換結果如圖14所示.初步分析發現,在振動頻譜圖中,幅值較突出的頻率成分主要集中在0～700 Hz,故本工作僅對比分析在此范圍內的振動頻域特征,并以葉頻為主刻度.

圖13 兩種葉輪離心泵振動加速度標準差隨流量的變化曲線Fig.13 Standard deviations of each vibration acceleration sensors under the different fl ow conditions for the two kinds of centrifugal pumps

相比于壓力脈動,振動的高頻成分更多.同一方向上,兩種葉輪離心泵振動信號的主頻特征基本一致.軸向(測點z)主頻為8.5倍葉頻,但主頻幅值幾乎不受流量變化的影響;垂直方向(測點5)主頻為2倍葉頻,當流量大于特征流量時,4倍葉頻的幅值也較突出;水平方向(測點6)主頻為1.75倍葉頻,在主頻附近的頻率成分幅值較大.在大流量下,縫隙引流葉輪離心泵的主頻幅值明顯小于常規葉輪離心泵.

2.4 壓力脈動與振動信號的互相關分析

圖14 兩種葉輪離心泵在3個方向上振動信號的頻譜結果Fig.14 Results of the vibration signals for the two kinds of centrifugal pumps in the three directions

圖15 在1.8Q流量下,相同位置測點的壓力脈動和振動波形圖及其互相關頻譜圖Fig.15 Graphs of the vibration and pressure fl uctuation signal results from the sensors in the same position,and their cross-correlation results under the 1.8Q fl ow condition

為了分析壓力脈動與振動信號之間的關聯,選擇在相同位置的壓力測點和振動測點作為研究對象,其中5號振動測點和7號壓力測點、 6號振動測點和9號壓力測點在泵體的同一位置.在1.8Q流量下,常規葉輪離心泵和縫隙引流葉輪離心泵在這兩個位置對應的3個葉輪周期內的壓力脈動和振動數據波形,以及兩種信號的互相關頻譜結果如圖15所示.可見,在同一時間段內,振動信號的波峰數是壓力脈動信號的2倍,且2倍葉頻處振動信號和壓力脈動信號的相關程度最大.

3 結論

(1)分析時域統計結果時發現,隨著流量的增加,離心泵蝸室及出口處的壓力脈動和振動都呈先減小后增大的趨勢;在0.5Q～1.0Q的流量范圍內,壓力脈動和振動較弱;在大流量下,壓力脈動和振動明顯增強,且縫隙引流葉輪離心泵的壓力脈動和振動明顯小于常規葉輪離心泵.對比分析兩種葉輪的內部流動后認為,縫隙引流葉輪出口更均勻的速度分布,及其內部較弱的二次流輸運,均是縫隙引流葉輪離心泵壓力脈動小于常規葉輪離心泵的根本原因,而壓力脈動又是振動的主要誘因之一.因此,縫隙引流葉輪可改善離心泵的壓力脈動和振動特性.

(2)分析壓力脈動的頻譜結果時發現,常規葉輪離心泵對應的葉頻幅值較突出,而縫隙引流葉輪離心泵對應的2倍葉頻幅值較突出.在大流量下,常規葉輪離心泵對應的葉頻及2倍葉頻的幅值整體上都大于縫隙引流葉輪離心泵.相比之下,兩種離心泵的振動頻譜結果中有更多的高頻成分,在水平和垂直方向上的振動主頻都為2倍葉頻.在壓力脈動與振動的互相關結果中,葉頻及2倍葉頻的幅值較大,說明壓力脈動和振動密切相關,同樣受到葉輪旋轉而產生的激勵影響.壓力脈動與振動之間具體的量化關系,值得后續深入研究.

(3)在振動實驗中,垂直方向上的振動最強,水平方向次之,軸向最小.相比其他壓力測點,隔舌處測點的壓力脈動對流量變化較為敏感.因此,可利用這一特性,對離心泵的運行狀態進行監控和故障診斷.